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中央空调系统节能改造设计刘少坤

发表时间：2021/7/28 来源：《基层建设》2021年第14期作者：刘少坤

[导读] 中央空调为人们带来了更好的室内舒适度的同时，也会消耗大量的电力，不仅企业需要交付昂贵的电费

        青岛海信日立空调营销股份有限公司山东省烟台市 264000
        摘要：中央空调为人们带来了更好的室内舒适度的同时，也会消耗大量的电力，不仅企业需要交付昂贵的电费，也有悖于节能环保的发展理念。因此，如何对中央空调系统进行节能改造设计就显得尤为重要。现阶段，大部分中央空调系统都是以最大冷热负荷为计算依据设计而成的，因此存在着一定的裕量。在实际使用过程中，中央空调系统只有很少的时间会处于最大负荷状态，因此会造成极大的能源浪费。此外，系统的运行情况还会受到季节气候、室内人员数量等外在因素的影响，具有一定的波动性。若系统无法依据负荷的实际变化情况进行动态调节，会出现能源浪费的情况，也会影响风机、水泵等设备的使用寿命。
        关键词：中央空调系统；节能；改造设计

        引言
        中央空调系统在建筑领域具有重要的地位，提高其节能水平是顺应可持续发展趋势的必行之举。为了切实提高系统的运行效率并降低能耗，须以可行的方式提高其性能，保证系统在负荷条件下维持稳定运行状态，达到节能效果。
        1中央空调设备组成组成及功能
        中央空调主要由冷水机组、冷冻水循环系统、冷却水循环系统及末端风机盘管系统等组成。下面就构成中央空调典型系统的功能加以简要介绍。
        冷水机组：主要由压缩机、蒸发器、冷凝器及膨胀阀组成。它是整个中央空调系统的核心和能量源泉，在制冷剂的作用下通过压缩机快速的使冷却水经过热量交换变为冷冻水，输送至各个末端风机盘管机组。
        冷冻水循环系统：主要由冷水机组、冷冻水泵、风机盘管及管道组成。冷冻水从冷水机组的蒸发器流出，通过冷冻水泵将冷冻水送至末端风机盘管机组，使冷冻水与房间内高温空气进行热量交换，从而实现了空调制冷。
        冷却水循环系统：主要由冷水机组、冷却水泵、冷却塔及管道组成。冷却水从冷水机组的冷凝器流出将冷水机组热量带出，通过冷却塔中风机与空气自然散热使热量在冷却塔中得以释放，再由冷却水泵送回至冷水机组，这样往复循环就保证了进入冷水机组是冷却后的循环水。
        末端风机盘管机组系统：主要由风机、空气处理机、空气滤网、换热用的盘管及风管组成。部分回风和新风进入风机管道加以混合，通过与盘管发生热量交换，生产出满足温湿度要求的冷空气，再由风机将冷空气送至各个房间内以保证良好的环境舒适度。
        2中央空调系统节能改造设计策略
        2.1冷源供应系统方案
        数据中心冷源主要考虑如何尽量利用自然冷源，常用的有闭式冷却塔+自然冷却系统和开式冷却塔+板式换热器+自然冷却系统。闭式冷却塔方案的优点是：1）整个管路系统为封闭式循环，循环水为软化水，管路不易结垢、无污染、不腐蚀。2）循环水几乎没有水消耗。闭式冷却塔方案的缺点是：1）闭式冷却塔占地面积较大，造价较高。2）在湿球温度较高地区，闭式冷却塔喷淋喷雾冷却效果较差。因深圳地区湿球温度较高，设计采用开式冷却塔+板式换热器+自然冷却系统。该系统由水冷冷水机组、板式换热器、冷却水泵、开式冷却塔、冷冻水泵、定压补水装置、加药装置、蓄冷水罐、末端空调机组等组成。该方案分为三种工作模式：1）全机械制冷：机械冷却由冷机提供所有所需冷量，冷却水、冷冻水不经过板式换热器，直接进入冷水主机。2）部分自然冷却：冷冻水先进入板式换热器与冷却水换热，温度有所降低后，再进入冷水机组冷却降温，以达到要求的冷冻水供水温度。3）完全自然冷却：当室外湿球温度低于16℃时冷源系统可进入完全自由冷却模式，关闭冷机，完全利用室外冷源给冷冻水回水降温，以达到节能目的。
        2.2水系统变频驱动改造
        在新科技的支撑下，变频器的性能得到了不断优化，因此在对中央空调系统进行节能改造时，可以运用变频技术，更改循环水系统的变流量，在确保其可以实现设备软启动的情况下，降低能耗，延长使用寿命。本文除了利用变频技术外，还在原有的基础上，利用经过综合阻抗动态优化后的变流量控制技术，以实际负荷需求出发，持续调节冷冻水量，最终实现按需分配，在确保末端舒适性的情况下，减少冷冻水泵工作时产生的能耗。用Q0代表冷冻水系统设计流量，用ΔP0代表设计压差，计算：
          （1）
        在系统运行过程中，空调机组阀门的开合角度会发生变化，以管段阻抗系数为依据，可以得到S设和冷冻水流量Q的关系模型：
          （2）
        可以进一步得出设定压差ΔP设：
        （3）
        通过比较ΔP和ΔP设之间的差值后，可以利用偏差信号对变频器进行控制，从而实现频率调节。此时对阻抗系数的优化可以直接转换为流量控制的优化，可以提升空调负荷响应的实效性。冷冻泵和空调机组在阻抗系统的支持下，在进行控制运动时更具协调性。
        2.3空调机组优化控制
        以往的空调系统为了降低能源损耗，在设计时会将其风量设定成最小值。但若是在过渡季节使用就存在一定的弊端，假设以夏季工况为设计参数，那么选用的设备容量较大，即使系统在小负荷下运行，依然会产生较大的能源损耗。若是应用变风量空调技术，在送风湿度、温度上又不好进行控制。本文在对空调机组进行优化时，增设了5EISM能效控制柜、电动风阀等设备，在增设新设备后，系统可以根据进、回风的温湿度，来调节电动风阀的开合角度。通过解耦控制送风范围的温湿度实现优化匹配控制，以此来减少系统运行时消耗的能量。
        2.4自动控制
        2.4.1PID调节功能
        PID调节指比例、积分、微分控制，常常适用于参数得不到精确的数学模型的情况。PID调节在中央空调中的应用，典型的例子是在空调新风系统中，因为空调新风系统是一个闭环，闭环时温度的转变存在着许多延迟。因为风阀经过PID运算调整后，还要一定的时间之后，最终的结果才能显现，所以设计中应该充分考虑延时情况，增加延时时间设定，同样系统根据PID运算进行调整后，过一定的时间，再重新计算并判断调整。这样空调新风系统不仅有了PID的调整而且也考虑了闭环系统的延迟，最终快速的把温度控制在稳定状态。
        2.4.2其他控制方法
        神经网络控制是一项复杂的系统控制技术，一般应用在变频器的控制中，它是通过对系统的辨识、运算后对变频器进行控制的一种新技术。而且神经网络控制可以同时控制多个变频器，所以应用在多个变频器级联控制中比较合适。神经网络控制在中央空调的应用也比较多了，比如采用2个BP神经网络NNC和NNI分别做控制器和辨识器，通过相互间误差的传递，对变风量空调系统中送风温湿度的控制问题，具有更快、更稳定的控制效果。在实际运用中，结合Lonworks总线技术给出系统的硬件和软件设计，使得系统智能节点可自由通信，便于安装调试且能对温湿度进行实时监控。该设计使中央空调控制系统的整体性能大为改善。模糊控制是以模糊集理论、模糊语言变量和模糊逻辑推理为基础的一种智能控制方法，它是从行为上模仿人的模糊推理和决策过程的一种智能控制方法。目前在中央空调机组中运用模糊控制理论，可以给出一个数学模型，这样就解决了中央空调系统因为非线性问题所造成的控制精度不够准确，响应速率缓慢的不良现象。
        结语
        对中央空调系统进行节能改造，可以降低能耗，符合低碳环保发展理念，减少电费支出。但是在改造时，需要确保中央空调系统在极端条件下也能正常运行；在改造过程中，并不能完全消除冗杂，因此要激发系统运行管理所产生的节能潜力。结合当下先进自动化控制技术，确保中央空调系统在高效节能的状态下运行。